[전자부품 전문 미디어 인사이트세미콘]

반도체 수율 극대화 및 디바이스의 성능을 향상시키기 위해서는 공정 가변성 제어를 통한 반복 가능한 결과 도출이 중요하다. 더욱이 기술의 진보에 따른 설계 규칙의 변화로 오늘날 보다 엄격한 공정관리가 요구되고 있다. 가변성의 원인으로는 다양한 이유가 있는데, 일반적으로 ‘웨이퍼 다이 안’에서 ‘각각의 웨이퍼 간’ 또는 ‘챔버 사이’에서 발생한다.

가변성 원인은 전체 변화의 1/3 미만이 웨이퍼 상의 변화로서 허용한다. 예컨대 14나노미터(nm) 노드에서 허용 가능한 게이트 임계 치수(CDs) 변화편차는 2.4나노 미만이다. 하지만 이를 웨이퍼 전체 변화로 볼 경우 0.84나노 정도다. 5나노 노드에서 웨이퍼 상의 허용 가능한 변동은, 0.5나노보다 작거나 두 세 개의 실리콘 원자에 상응하는 정도이다.

이 글에서는 플라즈마 식각 공정에서 나타나는 웨이퍼 상의 균일성 제어와 업계의 진화 및 주요 영역에 대해 알아보겠다. 식각 공정 중 균일성을 제어하는데 있어 근본적인 문제는 플라즈마의 복잡성이다. 원하는 식각 결과를 얻기 위해서는 아르곤(Ar+), 옥타플루오로시클로부탄(C4F8), 육불화부타디엔(C4F6+), 산소원자(O), 산소분자(O2+)와 같은 서로 다른 이온과 뉴트럴의 적절한 비율 관리가 요구된다. 동일한 플라즈마는 두 가지 유형의 종을 생성하므로 상대적으로 이온의 양이 뉴트럴에 비해 2배 가까이 된다. 따라서 플라즈마를 제어하는데 사용되는 파라미터의 영향은 상호의존적이라고 할 수 있다.

설계를 통한 균일성 향상
1980년대 초 단일 웨이퍼 공정이 시작된 이래 식각 챔버는 균일한 공정 결과를 얻기 위해 웨이퍼 상 각 위치에서 유사한 플라즈마 조건을 생성하도록 설계됐다. 하지만 이는 웨이퍼 균일성에 영향을 미치는 가장자리 부분에서 고유의 전기적·화학적 불연속성이 발생할 수 있기 때문에 어렵다.(그림1) 편향된 표면에서부터 접지 또는 부동 표면까지의 변화 때문에 전압 ‘그레디언트(gradients)’는 웨이퍼 가장자리에서 만들어 지는데, 웨이퍼의 이온 궤적을 변경하는 웨이퍼 가장자리에서 플라즈마 ‘시스선(sheath)’이 결합된다.

화학적 가능성이 있는 불연속성 또한 유사하며 웨이퍼 전체에 각기 다른 종을 위한 농도 그레디언트를 생성한다. 그레디언트는 다양한 현상에 의해 발생한다. 반응물 사용에 따른 변화, 가장자리 중심에서 배출되는 부산물 비율 또는 화학종의 서로 다른 흡수율을 야기하는 챔버와 웨이퍼 사이의 온도차이가 될 수 있다.

수년에 걸쳐서 방사상 균형을 개선하기 위해 챔버 설계에 대한 많은 변화가 시도되어 왔다. (그림2) 예컨대 ‘용량성 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP)’ 챔버의 주요 하드웨어 파라미터는 양극과 음극 사이의 갭이다. 오랜 시간 동안 갭은 주어진 전력과 압력 및 가스 화학 혼합물에 대해 가장 균일한 식각을 제공하도록 설계됐다. ‘유도성 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)’ 챔버에서 가스주입 위치는 공정에 따라 달라질 수 있는 중요한 설계적 특징이다. 알루미늄 식각 챔버에서 반응가스는 웨이퍼 위의 ‘샤워헤드(Showerhead)’로부터 토출한 것이다. 실리콘 식각의 경우 반응가스가 웨이퍼 둘레에서 들어가지만 웨이퍼 중심으로부터 주입되도록 진화됐다. 챔버 설계를 최적화하기 위한 지속적인 노력으로 비 방사 패턴이 더욱 명확해졌다. 균일한 맵마다 반경 내 모든 포인트의 평균이 수행되고 어려운 비대칭 부분은 남기고 맵에서 제외되도록 했다. 이러한 과정을 거쳐 챔버 설계 방향의 초점이 비대칭을 제거하는 방향으로 맞춰졌다.

돌이켜 생각해보면 향상된 기능 중 일부는 그 이유가 분명해 보인다. 1990년대 말까지 웨이퍼 측면에 터보분자 펌프와 나란히 설계된 식각 챔버는 흔하지 않았다. 이러한 설계는 반응물의 대류 운동과 웨이퍼 측면에서 배출되는 부산물 때문에 좌우 패턴을 만들어내기 때문이다. 펌프를 웨이퍼 아래로 이동시킴으로써 대류 유동은 방사상 대칭이 되었고 비대칭 공정이 생략됐다.

다른 경우 비대칭 원인은 더욱 미묘해졌다. 설계로 인해 불균형이 보정된 흥미로운 경우는 챔버 간 임의의 방향성을 보이는 문제성 좌우 패턴이었다. 챔버 하드웨어 내 가능한 원인을 제거하기 위한 연구로 패턴은 지구의 자기장과 관련이 깊다는 것을 알게 됐다.(그림3) 다음 예시는 사소한 외부 영향에도 민감한 플라즈마 공정을 보여준다. 챔버의 문제가 아니더라도 챔버 주위에 높은 자기투과성 재료로 특정 ‘실드(shielding)’를 적용했더니 문제가 해결됐다.

공정 튜닝 기능의 개발
식각 공정이 점점 다양하고 복잡해지는 반면에 기존의 챔버 설계는 엄격해지는 요건을 충족하기에 유연하지 않다. 이는 기존 챔버 설계가 각 식각 공정에 최적화된 구체적인 균일화 키트를 제공하기에 실용적이지 않기 때문이다. 또한 식각 기술이 200mm에서 300mm 웨이퍼로 전환할 당시인 2000년대 초 균일한 결과를 얻는 것이 어려웠다. 결과적으로 튜닝 기능은 광범위한 공정과 보다 큰 웨이퍼 사이즈에 필요한 균일성 제어를 제공하기 위해 개발된 것이다.
2000년대 초반까지 첫 번째 균일성 튜닝 노브는 웨이퍼 전반의 화학적 제어에 초점이 맞춰져 있었다. 이는 다양한 방법으로 구현됐다. 대표적으로 주요 반응가스를 각기 다른 위치로 분리시키던지 별도의 위치에 튜닝 가스를 더하는 것이다.

이러한 방법 이후 각 식각 공정에 대한 가변 파라미터의 개수가 확인됐다. 이 중 독립적인 직각 튜닝 노브는 근본적인 원인에 가깝게 보정되어 사용됐는데, 이는 다른 파라미터에 미치는 영향은 제한하면서 공정에만 최대 영향을 미치도록 되어있다. 많은 유전체 식각 공정에서의 식각 속도는 플라즈마의 이온 플럭스에 의해 제한된다. 가스 주입이 플라즈마 밀도의 균일성에 크게 영향을 주지 않기 때문에 램리서치는 주어진 공정 여건 아래 웨이퍼 전체 이온 플럭스의 균일화를 위해 ‘용량성 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP)’ 챔버의 갭을 조정 가능하도록 하는 기술을 개발했다.

수년에 걸쳐 지속되어온 개발은 웨이퍼 제어를 위한 공간 해상도 증가에 초점을 두고 있다. 개발 초기 가스는 웨이퍼 상의 중간 지점에서부터 분사됐는데 여기에 웨이퍼의 중심 또는 가장자리로 향하는 가스 비율 제어 기능이 추가된 것이다. 몇 년 후 추가적으로 웨이퍼 둘레 주변에 가스 주입 위치가 더해졌다.

웨이퍼 온도를 제어 노브로 사용하기 위해서는 상이한 가열 또는 냉각 ‘존(Zone)’이 웨이퍼를 고정해 주는 ‘정전척(Electrostatic Chuck, ESC)에 더해질 수 있다. 오랜 시간에 걸쳐 이러한 가열 또는 냉각 온도 존의 숫자는 2002년까지 한 개에서 두 개로, 2006년까지 네 개의 방사상 존으로 증가해왔다. 이는 모두 CDs의 방사상 균일성을 개선하기 위함이다. 온도가 직접적으로 CDs의 균일성에(CDU)에 영향을 미치기 때문에 현존하는 주요 균일성 문제를 다뤄보는 것 또한 효과적인 방법이 될 수 있다.

오늘날 사용되는 가장 복잡한 공정의 일부는 정교한 튜닝 기능에 의존하고 있다. 3D 핀펫(FinFET) 디바이스와 고급 메모리 방식 및 2배/4배 패터닝 기술은 지속적인 확장과 동시에 공정 단계의 증가라는 문제점을 동시에 가지고 있기 때문에 ‘변동성 감소’라는 과제를 해결해야 한다. 식각을 포함한 각 단위 공정에 대한 균일성이 비교적 양호하더라도 그것이 모두 합쳐져 미치는 영향은 무시할 수 없다. 그 과정 중 어딘가는 분명 보정할 필요가 있을 것이다.
균일성 프로파일의 단계가 차례에 따라 이루어지거나 업스트림이나 다운스트림으로 실행된다면 수정하기 어렵지만, 식각 공정의 프로파일 그 자체는 바뀔 수 있다. 그러니까 한 단계가 중간지점에서 유난히 빠르다면 식각 공정 부분은 가장자리 부분부터 빠르게 처리됨으로써 보정 될 수 있다. 간단히 들릴 수 있겠지만 본질적으로 다른 공정의 불균형한 이미지를 반사적으로 제공하는 공정 제어 단계를 추가하는 것은 어렵다. 다행히도 플라즈마 식각은 이런 수준의 제어가 가능한 공정이다.

현재 필요한 온도를 제어하기 위해 램리서치에서 사용되는 한 가지 전략은 웨이퍼 온도 조절을 위해 다수의 독립적인 히터나 마이크로존을 제공하는 것이다. 이는 CD 균일성에 상당한 영향을 미치는 중요한 파라미터이다. 하나의 식각 챔버에 100개 이상의 국소화된 히터를 사용하는 것은 전체 웨이퍼에 두 개나 네 개의 히터 존을 사용하는 시스템보다 훨씬 더 높은 공간 해상도를 제공한다. 이전 세대에서는 웨이퍼 가장자리 중간 튜닝이 가능했지만, 다수의 독립적인 히터 제어는 방사 및 비 방사 패턴 모두 조율 가능하다.(그림4)

웨이퍼 전반의 적정 온도 패턴을 찾기 위해 엔지니어가 수동으로 세밀하게 나누어져 있는 많은 히터에 대한 적정 온도 설정을 하는 것은 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 시스템 자체가 자동으로 히터를 컨트롤 할 수 있도록 고급 알고리즘과 특수 온도 보정 장치가 달린 제어기능을 개발했다. 요구되는 공정 균일성을 충족하기 위한 열지도 프로파일을 결정하는 것 또한 어려울 수 있다. 이에 정교한 소프트웨어 알고리즘이 자동으로 적절한 열지도를 생성하기 위해 공정 트렌드, 챔버 교정 데이터 및 웨이퍼 계측 정보를 사용하도록 개발됐다. 이 기능을 통해 식각 공정 후 발생되는 불균일성이 0.5나노 CDU 미만까지 줄어들 수 있다.(그림 5)

미래 집중 분야
균일성에 대한 과제 외에도 웨이퍼 가장자리(10mm, 다이의 10%까지)에서의 성능은 향후 수율 향상을 위해서 점점 중요해지는 부분이다. 이 영역에서 균일성 제어는 ‘시스(sheath)’의 결합이 발생할 수 있는 웨이퍼 가장자리의 전기적 불연속성에 의해 지배된다. 시스의 결합으로 인해 영향을 받는 부분은 화학 또는 열 효과와 비교했을 때 보다는 훨씬 적다. 시스 결합의 경우 가장자리부터 10~15mm까지이며, 화학은 50~70mm 열은 30~50mm이다. 고정된 가장자리 하드웨어는 균일성 최적화를 위해 재설계될 수 있지만, 개발중인 새로운 기술은 웨이퍼 가장자리에서 시스의 ‘인시츄(in situ)’ 방식을 통해 튜닝 되도록 했다. 앞으로는 좀 더 자동화에 초점이 맞춰진 다양한 제어 노브와 미세 조정을 위한 추가적인 세분화 기능을 기대할 수 있다. 공정 모듈이 점점 복잡해짐에 따라 보정적인 공정 제어의 개발 또한 지속적으로 이루어져야 한다.

글 스티븐 황 램리서치 테크니컬 디렉터, 케렌 카나릭 램리서치 시니어 테크니컬 디렉터

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com